燃油温度对ZH1110柴油机动力性与经济性的影响

２０１　１年６月　农机化研究　第６期　

燃油温度对ＺＨ　１　１　１　Ｏ柴油机动力性与经济性的影响　

杨安杰　，朱国营　

（１．河南工程学院机械工程系，郑州４５１　１９１；２．河南省机械设计研究院有限公司，郑州４５０００２）　

摘要：针对卧式单缸柴油机燃油供给系的结构特点，利用发动机试验台架，就燃油温度对ＺＨ１１１０柴油机动力　性和经济性的影响进行了测试研究。结果表明，燃油温度变化对发动机输出扭矩、有效功率、燃油消耗量及燃油　消耗率有着较大的影响。燃油温度从３３３Ｋ下降到３１３Ｋ时，其输出的有效转矩与有效功率增加，燃油消耗率减　小，据此提出了在柴油机检测和使用过程中应注意的问题。　关键词：柴油机；燃油；温度变化；性能试验　中图分类号：ＴＫ４２３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—１８８Ｘ（２０１１）０６—０１９０—０４　

０　引言　

柴油机的动力性和经济性历来受到设计人员、制　

造商、使用者和政府管理部门的重视。影响柴油机动　

力性、经济性和排放性的因素很多，如柴油机的设计　

结构、制造质量与燃油品质等，尤其是柴油的物理化　

学特性（如十六烷值、馏程（蒸发性）、密度和粘度）对　柴油机性能的发挥有重大影响Ｌ１ｊ。近年来，国外学者　

配比了不同十六烷值、馏程、密度、粘度和表面张力的　

柴油，利用特制的发动机进行了喷射压力、燃烧过程、　

经济性和排放性能的研究＿２Ｉ４　Ｊ，得出如下结论：随着燃　

油粘度和密度的增加，会导致发动机早燃、喷射压力　

上升、颗粒排放增加、ＮＯ排放物减少及燃油消耗率略　

有下降。国内学者则多从燃油温度变化会导致柴油　

的粘度和密度变化，进而影响柴油机性能的角度人　

手，研究了安装ＶＥ型分配泵的多缸柴油机的性能变　

化情况　。本文选用了我国产量巨大，与拖拉机、农　

用运输车、发电机及农副业加工机械广泛配套的，燃　

油供给系布置与多缸柴油机不同的ＺＨ１　ｌｌ０卧式单缸　

柴油机为试验样机，并就燃油温度的变化对其动力性　

和经济性的影响程度进行了试验研究。　

１　被测样机与测试用的仪器设备　

被测样机ＺＨ１　１　１０型柴油机的燃油供给系统包括　

燃油箱、燃油滤清器、高压油泵、喷油器及高低压油管　

等。其中，燃油箱直接安装在气缸体上部，喷油器位　于缸盖上，燃油系的其它部件则紧贴在发动机机体齿　

轮室盖一侧。如此布置使燃油在输送过程中受到机　

体热源的热传导、辐射和对流等的作用，其温度远高　

于环境温度。试验时，利用散热器控制改变油泵进油　

口的燃油温度，使之分别在３３３Ｋ和３１３Ｋ进行测试。　

测试样机的规格参数为：　

柴油机型号：ＺＨ１１１０　燃烧室型式：直喷式　

柴油机型式：卧式单缸四冲程蒸发水冷　

缸径×行程／ｍｍ：１１０×ｌｌ５　

排量／Ｌ：１．９０３　

压缩比：１７：１　

标定功率／转速／ｋ　／ｒ・ｍｉｎ～：　３．２４／２　２００　

喷油压力／ＭＰａ：１８．６　

供油提前角／（。）：２２　

喷油器型号：ＰＦ６８Ｓ１９　

喷油泵型号：ＡＫ型单体直列柱塞泵　

测试是在试验室的内燃机试验台架上进行，测试　

用的主要仪器设备见表１所示。　

表１试验用主要仪器设备　Ｔａｂ．１　Ｍａｊｏｒ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　

收稿日期：２０１０—０８—１１　基金项目：河南省科技发展计划项目（０９２１０２２１０２１８）　２　试验方法和试验结果　作者简介：杨安杰（１９６４一），男，河南郏县人，高级工程师，副教授，硕　士，（Ｅ—ｍａｉｌ）Ｙａｎｇａｎｊｉｅ１６３＠１６３．ｃｏｒｎ。　燃油温度在油泵进油口处测量，试验用Ｏ号柴油，

　２０１　１年６月　农机化研究　第６期　

试验的环境温度为（２９３±２）Ｋ，大气压力为１０１．５—　

１０１．８ｋＰａ，湿度４０％一４５％，水温３７３Ｋ（１００℃）。首　

先，试验时保持油门在最大位置不变，控制燃油温度　

分别在３３３Ｋ和３１３Ｋ，按照ＧＢ／Ｔ　１１４７．２—２００７￣中小　

功率内燃机第２部分：试验方法》进行全负荷速度　特性试验　Ｊ，速度特性曲线见图１所示。标定转速　

（２　２００ｒ／ｍｉｎ）和最大扭矩转速（１　６５０ｒ／ｍｉｎ）工况试验　参数对比情况见表２所示。然后，在上述相同环境条　

件下保持柴油机的转速不变，改变油门位置和负荷大　

小，分别在３３３Ｋ和３１３Ｋ燃油温度下，进行标定转速　

负荷特性试验，负荷特性曲线见图２所示。标定工况　

（１３．２４ｋＷ／２　２００ｒ・ｒａｉｎ　）和７５％负荷工况　

（９．９３ｋＷ／２　２００ｒ・ｍｉｎ　）试验参数对比情况见表３　

所示。　

＋３３３Ｋ燃油温度曲线　

１３　

１２　１１　ｌＯ　

２３Ｏ　

２１０　

ｌ６ＯＯ　ｌ８００　２０ｏｏ　２２ｏｏ　转速，ｌ／ｒ・ｉ￣１１－１　

图１　ＺＨ１　１　ｉ０型柴油机不同燃油温度下的速度特性曲线　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｓｐｅｅｄ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｆｕｅ１　

．ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ＺＨ１　１　１０　ｄｉｅｓｅｌ　表２速度特性试验参数对比　Ｔａｂ．２　Ｔｈｅ　ｅｏｍｐａｒｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｐｅｅｄ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　

对应不同转速时，表格中的数据位置在上方的是燃油温度为３３３Ｋ　与　

＼　６　咖　涎　爨　黎　３．０　

２．５　

２．０　

１．５　

２６０　

誊２５０　∞　２４０　糌　ｊ：６｛２３０　ｊ９ｇ　震　鬃２２０　＿．－３３３Ｋ￣油温度曲线　

功率Ⅳｅ／ｋｗ　

图２　ＺＨ１Ｉ１０型柴油机不同燃油温度下的标定转速负荷特性曲线　Ｆｉｇ．２　ｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｒａｔｅｄ　ｓｐｅｅｄ　ｌｏａｄ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｕｅｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ＺＨ１　１　１０　ｄｉｅｓｅｌ　表３负荷特性试验参数对比　Ｔａｂ．３　Ｔｈｅ　ｅｏｍｐａｒｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　

对应不ｌ司功率时，表格中的数据位置在上方的是燃油温度为３３３Ｋ　时测量值，在下方的为３１３Ｋ时测量值。　由图１和表３可知，燃油温度降低时，在不同的转　

速下，发动机发出的有效功率Ⅳｅ增加，燃油消耗量　

增加，燃油消耗率　略呈下降趋势。其中，标定转速　

（２　２００ｒ／ｍｉｎ）下功率Ⅳｅ增加约３％，油耗量　增加　

２％，燃油消耗率ｇｅ下降约１％，而最大扭矩点的扭矩　Ｍｅ增加１．４％。　

由图２和表４可知，在相同转速和功率下，油温降　

低，柴油机的燃油经济性明显好转。其中，标定工况　

（１３．２４ｋＷ／２　２００ｒ・ｍｉｎ　ｊ点燃油消耗率下降约　

２．８％，７５％负荷工况点燃油消耗率下降约１．６％。　

３燃油温度变化影响柴油机性能的机理　

燃油温度变化对柴油机性能的影响主要来源于两　时测量值，在下方的为３１３Ｋ时测量值。　个方面：一是燃油密度；二是燃油粘度。　．皇ｂＩ＼　蛹　ｌ；ｌ｛爨《　３　２　］●●１　●１＿＿一１　、芒瓣　ｌ－百．邑．　＼　

桨蔫饕　２０１　１年６月　农机化研究　第６期　

３．１　燃油温度对柴油机动力性的影响　

首先，随着燃油温度的下降，燃油密度就会增加。　

例如，柴油温度在３３３Ｋ时，其密度为０．８８２　４ｇ／ｍＬ；温　

度在３１３Ｋ时，其密度则为０．８９５　５ｇ／ｍＬ　９　。当柴油机　

在稳定工况下工作时，其喷油泵柱塞在每个循环中的　

排量是一定的。但是如果温度变化，在同样的柱塞排　量下每循环排出燃油的质量就会发生变化。其相对　

增加量为△＝ｖ（ｐ２一Ｐ　）／　＝（Ｐ２一Ｐ　）／ｐ　＝（０．　

８９５　５—０．８８２４）／０．８８２４＝１．５％。式中，　为柱塞排　

量，当油门位置不变，保持发动机转速不变，则　不　

变。可见，由于温度下降了２０Ｋ，供油量则增加了　

１．５％。　其次，随着燃油温度的下降，燃油粘度值上升，使　

柴油机高压油泵的供油率增大，即柱塞每行程的实际　

排油量与理论排油量的比值增加。　由于温度降低，引起密度与粘度增加，当保持油　

门位置不变时，则实际供油量增加，使转速升高，功率　

增大。若要恢复原转速，则要增加负荷，即增加输出　

的有效扭矩，因此就会出现图１的试验结果　即油温　

下降后，由于供油量的增加，同样转速下，柴油机输出　

的有效扭矩和功率增大，燃油消耗量增大。但为什么　

燃油消耗率量增加了，燃油消耗率反而下降了，这主　

要是由于柴油机的过量空气系数比较大，燃烧的热效　

率比较高，发出的有效功率更大，所以每千瓦时耗油　

略有下降。　

３．２燃油温度对经济性的影响　很显然，燃油温度下降，每循环柱塞的排油量增　

加了，发动机的耗油量就会增加，但这是指发动机的　

转速不变、油门位置不变的情况下。而考核燃油经济　

性是在相同的转速和功率下进行比较，即进行负荷特　

性试验比较，而做负荷特性时要改变油门位置和负　

荷。当油温下降、燃油密度增加时，需减小油门（即减　

少柱塞的有效升程），使柴油机恢复到降低油温前的　

工况，则燃油消耗量随之减少。同时，由于柱塞有效　

行程的减少使供油时间缩短，从而使柴油在燃烧室内　

的后燃期缩短，使柴油机获得更多的有效功¨　，导致　

燃油消耗量总体下降，燃油消耗率降低。燃油温度高　时，燃油粘度下降，会造成燃油在柱塞与柱塞套之间　

的渗漏增加，使喷油泵的供油率下降，供油压力降低，　喷油提前角减小，偏离最佳燃烧过程，经济性变差。　

需要说明的是，不是说燃油温度越低越好。燃油　

温度太低时，燃油的粘度变大，其分子之间的相互作　

用力也越大，柴油喷射的雾化也越来越困难，使燃油　

和空气混合不均匀，燃烧不及时或不完全，燃油消耗　率增加，发动机动力性与经济性反而下降。　

４　结语　

柴油温度的变化影响到柴油机的动力性和经济性　

的发挥。燃油温度从３３３Ｋ下降到３１３Ｋ时，其输出的　

有效转矩和有效功率增加，燃油消耗率下降。因此，　

要求柴油机制造企业在出厂检验和政府职能部门在　

市场监督抽查检验中，要注意燃油温度对发动机性能　

的影响，要把燃油温度严格控制在一定的范围，以保　

证检验数据的科学性。为此，提出如下建议：　１）在检验中，不但要按照ＧＢ／Ｔ６０７２．１—２００８《往　

复式内燃机性能第１部分：功率、燃油消耗和机油消　

耗的标定及试验方法通用发动机的附加要求》¨　对　

大气环境状况进行修正Ｈ引，同时应控制燃油温度。关　

于检验中燃油温度的要求，在早期执行的ＧＢ１１０５．１　

—１１０５．３—１９８７（（内燃机台架性能试验方法》¨　中对　

柴油的温度做了明确规定，即（４０－４－５）ｃＩ＝（在喷油泵进　

口处测量），不过这个标准自２００４年１月１日被废止，　

由国家质量技术监督局２０００年３月１６日发布的ＧＢ／　

Ｔ６０７２．１—２０００｛往复式内燃机性能第１部分：标准　

基准状况，功率、燃油消耗和机油消耗的标定及试验　

方法》¨　代替，而该标准及后来升级版本对燃油温度　

都没有做详细规定。笔者建议按新的ＧＢ／Ｔ２１４０４—　

２００８（（内燃机发动机功率的确定和测量方法一般要　

求》　标准中对柴油的温度所做的规定值（３１３±３）Ｋ　

进行检验。　

２）当柴油机生产企业的测功车间难于控制在试　

验温度范围之内时，应进行大量试验验证，确定燃油　

温度修正系数，以保证冬天和夏天柴油机功率、油耗